Supernova-Detektion mit dem IceCube-Neutrinoteleskop

IceCube, ein Neutrinoteleskop, welches zur Zeit am Südpol aufgebaut und voraussichtlich 2011 fertiggestellt sein wird, kann galaktische Kernkollaps-Supernovae mit hoher Signifikanz und unübertroffener statistischer Genauigkeit der Neutrinolichtkurve detektieren. Derartige Supernovae werden begleitet von einem massiven Ausbruch niederenergetischer Neutrinos aller Flavour. Beim Durchfliegen des Detektormediums Eis entstehen Positronen und Elektronen, welche wiederum lokale Tscherenkowlichtschauer produzieren, die in ihrer Summe das gesamte Eis erleuchten. Ein Nachweis ist somit, trotz der Optimierung IceCubes auf hochenergetische Teilchenspuren, über eine kollektive Rauschratenerhöhung aller optischen Module möglich. Die vorwiegende Reaktion ist der inverse Betazerfall der Antielektronneutrinos, welcher über 90,% des gesamten Signals ausmacht.rnrnDiese Arbeit beschreibt die Implementierung und Funktionsweise der Supernova-Datennahme-Software sowie der Echtzeitanalyse, mit welcher die oben genannte Nachweismethode seit August 2007 realisiert ist. Die Messdaten der ersten zwei Jahre wurden ausgewertet und belegen ein extrem stabiles Verhalten des Detektors insgesamt sowie fast aller Lichtsensoren, die eine gemittelte Ausfallquote von lediglich 0,3,% aufweisen. Eine Simulation der Detektorantwort nach zwei unterschiedlichen Supernova-Modellen ergibt eine Sichtweite IceCubes, die im besten Falle bis zur 51,kpc entfernten Großen Magellanschen Wolke reicht. Leider ist der Detektor nicht in der Lage, die Deleptonisierungsspitze aufzulösen, denn Oszillationen der Neutrinoflavour innerhalb des Sterns modifizieren die Neutrinospektren ungünstig. Jedoch können modellunabhängig anhand des frühesten Signalanstiegs die inverse Massenhierarchie sowie $sin^2 2theta_{13} > 10^{-3}$ etabliert werden, falls die Entfernung zur Supernova $leq$,6,kpc beträgt. Gleiches kann durch Auswertung eines möglichen Einflusses der Erdmaterie auf die Neutrinooszillation mit Hilfe der Messung eines zweiten Neutrinodetektors erreicht werden.

Supernova neutrinos in AMANDA and IceCube - Monte Carlo development and data analysis

Supernovae are among the most energetic events occurring in the universe and are so far the only verified extrasolar source of neutrinos. As the explosion mechanism is still not well understood, recording a burst of neutrinos from such a stellar explosion would be an important benchmark for particle physics as well as for the core collapse models. The neutrino telescope IceCube is located at the Geographic South Pole and monitors the antarctic glacier for Cherenkov photons. Even though it was conceived for the detection of high energy neutrinos, it is capable of identifying a burst of low energy neutrinos ejected from a supernova in the Milky Way by exploiting the low photomultiplier noise in the antarctic ice and extracting a collective rate increase. A signal Monte Carlo specifically developed for water Cherenkov telescopes is presented. With its help, we will investigate how well IceCube can distinguish between core collapse models and oscillation scenarios. In the second part, nine years of data taken with the IceCube precursor AMANDA will be analyzed. Intensive data cleaning methods will be presented along with a background simulation. From the result, an upper limit on the expected occurrence of supernovae within the Milky Way will be determined.

Optimierungen des Nachweises von Supernovae in IceCube

Kernkollaps-Supernovae werden von einem massiven Ausbruch niederenergetischer Neutrinos begleitet. Sie zählen zu den energiereichsten Erscheinungen im Universum und stellen die derzeit einzig bekannte Quelle extrasolarer Neutrinos dar.rnDie Detektion einer solchen Neutrinosignatur würde zu einem tieferen Verständnis des bislang unzureichend bekannten stellaren Explosionsmechanismus führen. rnDarüber hinaus würden neue Einblicke in den Bereich der Teilchenphysik und der Supernova-Modellierung ermöglicht. Das sich zur Zeit am geographischen Südpol im Aufbau befindliche Neutrinoteleskop IceCube wird 2011 fertig gestellt sein.rnIceCube besteht im endgültigen Ausbau aus 5160 Photovervielfachern, die sich in gitterförmiger Anordnung in Tiefen zwischen 1450m und 2450m unter der Eisoberfläche befinden. Durch den Nachweis von Tscherenkow-Photonenrnim antarktischen Gletscher ist es in der Lage, galaktische Supernovae über einen kollektiven Anstieg der Rauschraten in seinen Photonenvervielfachern nachzuweisen.rnIn dieser Arbeit werden verschiedene Studien zur Implementierung einer künstlichen Totzeit vorgestellt, welche korreliertes Rauschen unterdrücken und somit das Signal-Untergund-Verhältnis maximieren würden.rnEin weiterer Teil dieser Dissertation bestand in der Integration der Supernova-Datenakquise eine neue Experiment-Steuerungssoftware.rnFür den Analyseteil der Arbeit wurde ein Monte-Carlo für IceCube entwickelt und Neutinooszillations-Mechanismen und eine Reihe von Signalmodellen integriert. Ein Likelihoodhypothesen-Test wurde verwendet, um die Unterscheidbarkeit verschiedener Supernova- beziehungsweise Neutrinooszillations-Szenarien zu untersuchen. Desweiteren wurde analysiert inwieweit sich Schock-Anregungen und QCD-Phasenübergnag im Verlauf des Explosionsprozesses detektieren lassen.

The electron antineutrino angular correlation coefficient a in free neutron decay: Testing the standard model with the aSPECT-spectrometer

The beta-decay of free neutrons is a strongly over-determined process in the Standard Model (SM) of Particle Physics and is described by a multitude of observables. Some of those observables are sensitive to physics beyond the SM. For example, the correlation coefficients of the involved particles belong to them. The spectrometer aSPECT was designed to measure precisely the shape of the proton energy spectrum and to extract from it the electron anti-neutrino angular correlation coefficient "a". A first test period (2005/ 2006) showed the “proof-of-principles”. The limiting influence of uncontrollable background conditions in the spectrometer made it impossible to extract a reliable value for the coefficient "a" (publication: Baessler et al., 2008, Europhys. Journ. A, 38, p.17-26). A second measurement cycle (2007/ 2008) aimed to under-run the relative accuracy of previous experiments (Stratowa et al. (1978), Byrne et al. (2002)) da/a =5%. I performed the analysis of the data taken there which is the emphasis of this doctoral thesis. A central point are background studies. The systematic impact of background on a was reduced to da/a(syst.)=0.61 %. The statistical accuracy of the analyzed measurements is da/a(stat.)=1.4 %. Besides, saturation effects of the detector electronics were investigated which were initially observed. These turned out not to be correctable on a sufficient level. An applicable idea how to avoid the saturation effects will be discussed in the last chapter.

Interacting fermionic atoms in optical lattices - A quantum simulator for condensed matter physics

This thesis reports on the creation and analysis of many-body states of interacting fermionic atoms in optical lattices. The realized system can be described by the Fermi-Hubbard hamiltonian, which is an important model for correlated electrons in modern condensed matter physics. In this way, ultra-cold atoms can be utilized as a quantum simulator to study solid state phenomena. The use of a Feshbach resonance in combination with a blue-detuned optical lattice and a red-detuned dipole trap enables an independent control over all relevant parameters in the many-body hamiltonian. By measuring the in-situ density distribution and doublon fraction it has been possible to identify both metallic and insulating phases in the repulsive Hubbard model, including the experimental observation of the fermionic Mott insulator. In the attractive case, the appearance of strong correlations has been detected via an anomalous expansion of the cloud that is caused by the formation of non-condensed pairs. By monitoring the in-situ density distribution of initially localized atoms during the free expansion in a homogeneous optical lattice, a strong influence of interactions on the out-of-equilibrium dynamics within the Hubbard model has been found. The reported experiments pave the way for future studies on magnetic order and fermionic superfluidity in a clean and well-controlled experimental system.

First measurements of the aSPECT spectrometer

The aSPECT spectrometer has been constructed to measure, with high precision, the integral proton spectrum of the free neutron decay. From this spectrum the neutrino electron angular correlation coefficient a can be inferred. The coefficient a is involved in several Standard Model tests, like the unitarity test of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa quark mixing matrix. aSPECT has been designed to determine the coefficient a with an accuracy better than 3×10−4, that is, one order of magnitude better than the best current accuracy. First measurements with neutron beam with the aSPECT spectrometer were performed in the Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz, in Munich. A study of the data taken in this period is presented in this thesis, demonstrating the proof of principle of the spectrometer. However, the observation of situation and time-dependent background instabilities impedes the report of a new value of the coefficient a. A thorough data analysis is carried out to identify sources of these background instabilities in order to improve the aSPECT experiment for future beam times. The investigation indicates that trapped particles are most likely the reason for the background problems. Furthermore, it has been observed that measurements containing less trapped particles provide a-values closer to the currently Particle Data Group value. Based on this findings, different measures are proposed to eliminate potential traps in the spectrometer. Indeed, with the proposed modifications realized for the following beam-times, the observed background instabilities were greatly reduced.

Warped extra dimensions: flavor, precision tests and Higgs physics

In this thesis, the phenomenology of the Randall-Sundrum setup is investigated. In this context models with and without an enlarged SU(2)_L x SU(2)_R x U(1)_X x P_{LR} gauge symmetry, which removes corrections to the T parameter and to the Z b_L \bar b_L coupling, are compared with each other. The Kaluza-Klein decomposition is formulated within the mass basis, which allows for a clear understanding of various model-specific features. A complete discussion of tree-level flavor-changing effects is presented. Exact expressions for five dimensional propagators are derived, including Yukawa interactions that mediate flavor-off-diagonal transitions. The symmetry that reduces the corrections to the left-handed Z b \bar b coupling is analyzed in detail. In the literature, Randall-Sundrum models have been used to address the measured anomaly in the t \bar t forward-backward asymmetry. However, it will be shown that this is not possible within a natural approach to flavor. The rare decays t \to cZ and t \to ch are investigated, where in particular the latter could be observed at the LHC. A calculation of \Gamma_{12}^{B_s} in the presence of new physics is presented. It is shown that the Randall-Sundrum setup allows for an improved agreement with measurements of A_{SL}^s, S_{\psi\phi}, and \Delta\Gamma_s. For the first time, a complete one-loop calculation of all relevant Higgs-boson production and decay channels in the custodial Randall-Sundrum setup is performed, revealing a sensitivity to large new-physics scales at the LHC.

Numerical precision calculations for LHC physics

In dieser Arbeit stelle ich Aspekte zu QCD Berechnungen vor, welche eng verknüpft sind mit der numerischen Auswertung von NLO QCD Amplituden, speziell der entsprechenden Einschleifenbeiträge, und der effizienten Berechnung von damit verbundenen Beschleunigerobservablen. Zwei Themen haben sich in der vorliegenden Arbeit dabei herauskristallisiert, welche den Hauptteil der Arbeit konstituieren. Ein großer Teil konzentriert sich dabei auf das gruppentheoretische Verhalten von Einschleifenamplituden in QCD, um einen Weg zu finden die assoziierten Farbfreiheitsgrade korrekt und effizient zu behandeln. Zu diesem Zweck wird eine neue Herangehensweise eingeführt welche benutzt werden kann, um farbgeordnete Einschleifenpartialamplituden mit mehreren Quark-Antiquark Paaren durch Shufflesummation über zyklisch geordnete primitive Einschleifenamplituden auszudrücken. Ein zweiter großer Teil konzentriert sich auf die lokale Subtraktion von zu Divergenzen führenden Poltermen in primitiven Einschleifenamplituden. Hierbei wurde im Speziellen eine Methode entwickelt, um die primitiven Einchleifenamplituden lokal zu renormieren, welche lokale UV Counterterme und effiziente rekursive Routinen benutzt. Zusammen mit geeigneten lokalen soften und kollinearen Subtraktionstermen wird die Subtraktionsmethode dadurch auf den virtuellen Teil in der Berechnung von NLO Observablen erweitert, was die voll numerische Auswertung der Einschleifenintegrale in den virtuellen Beiträgen der NLO Observablen ermöglicht. Die Methode wurde schließlich erfolgreich auf die Berechnung von NLO Jetraten in Elektron-Positron Annihilation im farbführenden Limes angewandt.

Suche nach Dunkler Materie in Galaxien und Galaxienhaufen mit dem Neutrinoteleskop IceCube

Trotz zahlreicher Hinweise auf die Existenz von Dunkler Materie, konnten entsprechende Teilchen bisher nicht nachgewiesen werden. Eine große Anzahl an Experimenten wird durchgeführt, um die Eigenschaften möglicher Kandidatenteilchen zu untersuchen. Eine Strategie ist die Suche nach einem Neutrinosignal aus den Annihilationen von schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs) in Regionen mit hoher Dichte von Dunkler Materie. Mögliche Zielobjekte dieser Suchen sind die Erde, die Sonne, das Zentrum und der Halo der Milchstraße sowie entfernte Objekte, die einen hohen Anteil Dunkler Materie aufweisen.In der vorliegenden Arbeit wird die erste Suche nach einem Neutrinosignal von Zwerggalaxien, größeren Galaxien und Galaxienhaufen beschrieben. Da kein Signal nachgewiesen wurde, konnten obere Grenzen auf den Annihilationsquerschnitt von WIMPs gesetzt werden. Die stärksten Grenzen wurden aus der Beobachtung des Virgo-Haufens unter der Annahme einer großen Signalverstärkung durch Unterstrukturen in der Dichteverteilung abgeleitet. Für WIMP-Massen oberhalb von einigen TeV ist das Ergebnis vergleichbar mit Grenzen, die aus der Suche mit Gammateleskopen abgeleitet wurden. Für den direkten Annihilationskanal in zwei Neutrinos konnte der Wirkungsquerschnitt stärker eingeschränkt werden, als in bisherigen Analysen.

Stacked searches for high-energy neutrinos from blazars with IceCube

In the year 2013, the detection of a diffuse astrophysical neutrino flux with the IceCube neutrino telescope – constructed at the geographic South Pole – was announced by the IceCube collaboration. However, the origin of these neutrinos is still unknown as no sources have been identified to this day. Promising neutrino source candidates are blazars, which are a subclass of active galactic nuclei with radio jets pointing towards the Earth. In this thesis, the neutrino flux from blazars is tested with a maximum likelihood stacking approach, analyzing the combined emission from uniform groups of objects. The stacking enhances the sensitivity w.r.t. the still unsuccessful single source searches. The analysis utilizes four years of IceCube data including one year from the completed detector. As all results presented in this work are compatible with background, upper limits on the neutrino flux are given. It is shown that, under certain conditions, some hadronic blazar models can be challenged or even rejected. Moreover, the sensitivity of this analysis – and any other future IceCube point source search – was enhanced by the development of a new angular reconstruction method. It is based on a detailed simulation of the photon propagation in the Antarctic ice. The median resolution for muon tracks, induced by high-energy neutrinos, is improved for all neutrino energies above IceCube’s lower threshold at 0.1TeV. By reprocessing the detector data and simulation from the year 2010, it is shown that the new method improves IceCube’s discovery potential by 20% to 30% depending on the declination.

High-mass Drell-Yan cross-section and search for new phenomena in multi-electron/positron final states with the ATLAS detector

The Standard Model of particle physics is a very successful theory which describes nearly all known processes of particle physics very precisely. Nevertheless, there are several observations which cannot be explained within the existing theory. In this thesis, two analyses with high energy electrons and positrons using data of the ATLAS detector are presented. One, probing the Standard Model of particle physics and another searching for phenomena beyond the Standard Model.rnThe production of an electron-positron pair via the Drell-Yan process leads to a very clean signature in the detector with low background contributions. This allows for a very precise measurement of the cross-section and can be used as a precision test of perturbative quantum chromodynamics (pQCD) where this process has been calculated at next-to-next-to-leading order (NNLO). The invariant mass spectrum mee is sensitive to parton distribution functions (PFDs), in particular to the poorly known distribution of antiquarks at large momentum fraction (Bjoerken x). The measurementrnof the high-mass Drell-Yan cross-section in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 7 TeV is performed on a dataset collected with the ATLAS detector, corresponding to an integrated luminosity of 4.7 fb-1. The differential cross-section of pp -> Z/gamma + X -> e+e- + X is measured as a function of the invariant mass in the range 116 GeV < mee < 1500 GeV. The background is estimated using a data driven method and Monte Carlo simulations. The final cross-section is corrected for detector effects and different levels of final state radiation corrections. A comparison isrnmade to various event generators and to predictions of pQCD calculations at NNLO. A good agreement within the uncertainties between measured cross-sections and Standard Model predictions is observed.rnExamples of observed phenomena which can not be explained by the Standard Model are the amount of dark matter in the universe and neutrino oscillations. To explain these phenomena several extensions of the Standard Model are proposed, some of them leading to new processes with a high multiplicity of electrons and/or positrons in the final state. A model independent search in multi-object final states, with objects defined as electrons and positrons, is performed to search for these phenomenas. Therndataset collected at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb-1 is used. The events are separated in different categories using the object multiplicity. The data-driven background method, already used for the cross-section measurement was developed further for up to five objects to get an estimation of the number of events including fake contributions. Within the uncertainties the comparison between data and Standard Model predictions shows no significant deviations.